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        半石墨化增碳劑
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        石墨化增碳劑使用方法

        2019-09-05

        用電爐冶煉廢鋼加增碳劑生產鑄鐵件,盡管電爐便于化學元素含量的調整,而且主要元素可以調整到材質要求的范圍之內,但是如果不采取有效的處理手段,生產出鑄件的質量,確與用沖天爐生產出的鑄件質量有較大差異。石墨質增碳劑主要的不同之處就是:用電爐熔化的鐵液,無論是廢鋼加增碳劑或者是用鐵屑作爐料,生產出的鑄件白口傾向大,硬度高而精加工困難。本文就此談談自己的實踐體會和認識。

        半石墨化增碳劑

        一. 沖天爐和電爐熔煉出鐵液質量的不同之處

        1.沖天爐熔煉的鐵液

        沖天爐是用焦炭作燃料,將固體的鐵塊和其它爐料,經過預熱、熔化、過熱、還原,后鐵液經爐底流入前爐缸,所經歷的時間很短,大約10min左右,鐵液往往要在前爐缸中停留一段時間,在這段停留時間里,對金屬液的增核是有利的。雖然沖天爐的出爐溫度一般在1450℃左右,但是鐵液經過過熱區的瞬間,爐溫約1700℃,盡管鐵液通過過熱區的時間很短,卻是以細小液滴通過的,能得到高溫過熱,有助于石墨溶于鐵液,消除新生鐵中粗大石墨片的遺傳性。鑄鐵中的主要元素碳,在熔煉過程中有一個燒損和吸收的減增過程,由于鐵液滴在灼熱的焦炭上,鐵液就吸收了焦炭中的碳原子,所以在整個熔化過程中,碳的吸收大于燒損,終含碳量是增。同樣鐵液也會從焦炭中吸收部分硫。

        我們知道用電爐熔煉爐料,石墨化石油焦增碳劑是由感應圈經導電產生磁場,在爐料中產生電渦流,由電渦流發熱藉以熔化爐料。

        (1)、對“自發晶核”的影響

        鋼的熔點比鑄鐵高,增碳劑的熔點更高,當廢鋼在熔化過程中以及熔化之后,增碳劑被加熱緩慢的溶解和擴散,增碳劑中的碳才能被鋼液侵蝕吸收。鋼液逐漸的變成鐵液,即常稱之為“合成鑄鐵”。由于廢鋼熔

        2.用電爐熔煉鐵液對材質性能的影響

        化溫度高,鋼液從增碳劑中吸收碳原子之后,在變成鐵液的過程中,有短暫時間過熱溫度往往很高。在高溫下,鐵液中的碳易于被氧化成

        CO,因此有人認為鐵液中的碳也是一種“氣體形成元素”。CO在鐵液中的溶解度很少,形成后即釋放于鄰近液面的大氣中。在生產實踐中我們會發現,當高溫鋼液倒入抬包后,抬包中有放射狀火花飛出(俗稱賊花),即可能是高溫氧化的釋碳現象。這些現象都會影響到材質的質量。

        電爐在熔煉鐵液過程中,具有電磁攪拌摩擦的特性。鐵液過熱溫度高、過熱時間長、且又有感應電流的攪拌摩擦,鐵液中微細的晶態石墨即自發晶核和外來結晶核心,都會逐漸溶于鐵液而消失;或浮經液面與集渣劑粘裹在一起被挑出爐外。這樣,使鐵液中可在共晶結晶時作為石墨外來晶核的物質大幅度減少。

        硫在鑄鐵中,尤其是在球墨鑄鐵中是有害元素。但有資料介紹說①:在灰鑄鐵中當含硫量小于0.06﹪時,硫的一些有益作用就無法得到發揮。在鑄鐵中存在有細小而分散的硫化物夾雜,能在石墨的生核和成長中起積極而有益的作用。用感應電爐熔煉廢鋼加增碳劑的合成鑄鐵,其終含硫量一般不會超過0.03%的。如果原鐵水的含硫量過低,球化劑中的鎂就無從與硫化合,過多的殘余鎂量不但阻礙石墨化,而且還會使鑄件產生縮孔、氣孔等鑄造缺陷。如果減少球化劑的加入量,綜合考慮又恐會影響到球化率。所以在原鐵水含硫量很低的情況下,要從球化劑的選擇、球化劑的加入量、球化處理操作工藝上采取措施,以保證球鐵的球化質量。

        合成鑄鐵在感應電爐中,因含硫量過低、過熱溫度高、電流的攪拌摩擦等因素影響,鐵液中石墨化的核心大幅度減少。②這種缺乏石墨化結晶核心的鐵液,過冷度很大,對孕育處理的回應能力極差,很難通過常規孕育處理措施,使鑄鐵具有符合要求的微觀組織。因而即使化學成分含量完全符合要求,往往澆注出的鑄件硬度高,不便于機械加工。有資料介紹:硫從0.02%增加到0.06%,抗拉強度增加50MPa以上,即可提高一個牌號以上,硬度值即可增加HB20。進一步增加硫到0.1%,強度值和硬度值變化不大,有此可見在灰鑄鐵中,硫控制在0.06-0.1%為宜(我廠生產的汽車制動鼓,材質是HT250,硫控制在0.07-0.09%).順便也談談用電爐熔煉“鑄鐵屑”,即便熔煉的鐵屑干凈無銹蝕,不需要高溫,過熱溫度并不是很高,但是由于電磁攪拌的摩擦作用以及碳、硅的燒損,如果澆注前不進行元素調配和采取有效的孕育措施,生產出的鑄件同樣是硬度高。

        (2) 用感應電爐熔煉對提高材感質質量的影響

        感應電爐熔煉,鐵水溫度可升以提到1570℃以上,并可以在高溫狀態下長時間的保溫,在該溫度下,可以使原材料帶入的夾雜物,以及在熔煉過程形成的夾渣及夾雜物上浮至鐵液表面。對于廢鋼+增碳劑、尤其是粒子鋼+廢鋼+增碳劑+回爐料,這些爐料無論是廢鋼、粒子鋼或者是粒子鐵,大都是白口組織,白口組織具有較強的遺傳性,要消除遺傳性就需要適當的提高熔化溫度,增加保溫時間,才能夠比較好的凈化鐵液,減少鑄件缺陷。

        合金元素燒損量低,鐵水中錳、硅的燒損低于沖天爐熔煉。便于各元素的調控,能夠穩定化學成分含量。

        生產球墨鑄鐵時,含硫量過高將會直接影響到球鐵的質量。如球化級別低下、材質強韌性差、鑄件有夾渣等鑄造缺陷。用電爐熔煉鑄鐵時不存在有增硫反應。

        用廢鋼+增碳劑生產合成鑄鐵,由于廢鋼的夾雜物含量低,成分穩定,加增碳劑經高溫熔煉之后,消除了爐料的遺傳性,鐵液的純凈度得到提高,同時增碳劑具有孕育作用,促使石墨化的效果更加穩定突出,鑄件的基體組織晶粒會更加均勻、細化,所以生產出鑄件材質的韌性和強度均得到提高。

        (二)、揚長補短、優化操作程序

        用廢鋼生產球墨鑄鐵的優點前面已談,就不再贅述。

        用電爐熔煉廢鋼(鐵屑)+增碳劑生產球墨鑄鐵,欲想穩定產品質量,需要補的“短”,主要是解決金屬液在凝固結晶時,自發晶核少、鐵液過冷度大、石墨化能力差、鑄件硬度高而不便于機械加工的問題。具體的“補短”操作方法是:①在冶煉后期要注意“自發晶核”的培養。加入適量的廢鋼使鐵液激冷,同時適量的加入硅鐵以及細顆粒的增碳劑,上面覆蓋保溫劑,降低功率或停電保溫一段時間,以促使析出微細的晶態石墨。②在出爐或澆注過程中,進行充分的多次孕育處理,以補充“外來晶核”,可以添加小顆粒的增碳劑、碎硅鐵粉粒以及復合孕育劑,雖然加入量很少,但是促進生核的效果很好。③如果含硫量過低(特別是生產HT時)可適量加入些硫鐵,但必須控制在要求的范圍內。總之優化操作程序指的就是:爐料入爐的先后順序、熔煉中的溫度和出爐溫度的控制、化學成分的選控、以及強化孕育和復合孕育。

        (三)、化學成分的選擇

        我們的產品是汽車輪轂,造型采用的是鐵模覆砂工藝,材質是QT450-10,其硬度是HB160-210,屬于鐵素體基體球鐵。但是用戶為了便于機械加工提高生產速度,除要求材質的抗拉強度及延長率合格之外,還要求鑄件的硬度≦HB200。所以在化學成分含量的選擇上,進行了大量的試驗和研究:碳(C)碳之所以能促進石墨化,是由于碳本身就是構成石墨的元素(是石墨化膨脹的內部因素),所以,碳高則析出的石墨數量多,提高含碳量石墨質增碳劑膨脹量大,可以減少縮孔體積,使鑄件組織致密。但是碳量過高,鑄件易出現石墨漂浮,還可能產生開花狀石墨,降低力學性能。根據鑄件的大小和厚薄,控制在3.6―3.9%硅(Sī) 硅是促進石墨化元素(是石墨化膨脹的外部因素),尚若以孕育劑方式加入,則其石墨化能力更強烈。硅之所以能促進石墨化,是因為硅能降低碳在液相和固相中的溶解(排碳現象)度①,阻礙Fe原子和C原子的化合,從而增加了碳的活度,能夠使碳充分的以游離狀結晶碳,即以石墨的形態析出;硅能夠提高共晶和共析轉變溫度,有利于石墨核心的成長和延長成長時間②;硅具有使液相線下降的特性,在碳當量一定時,提高硅的含量,在相同的澆注溫度下,相對提高了鐵液的過熱度,增加了鐵水的流動性,便于鑄件成型。以上這些,都是硅在促進石墨化過程中起到的諸多作用。


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